Diagnostics optiques

Lors de nos expériences nous avons utilisé différents diagnostics optiques, dont nous expliquerons le principe dans cette partie. Nous en distinguerons deux grandes catégories : les diagnostics passifs et les diagnostics utilisant

3.3. Les diagnostics nécessaires à l’observation

FIGURE 3.13 – A : Radiographie X de grille d’or (400, 600 et 1000 lignes par pouce). La radiographie de ces

grilles permet de connaître l’échelle spatiale au niveau du plan de la cible ainsi que de mesurer le grandissement du système. B : Coupe d’un bord franc de la grille utilisée pour déduire la résolution du système d’imagerie. La résolution est déterminée à partir d’une variation d’intensité lumineuse de 10 % de l’écart entre intensité à vide et intensité au travers d’un objet.

un faisceau sonde. Après quoi nous présenterons différents détecteurs.

Dans une partie ultérieure, nous reviendrons plus en détail sur les diagnostics de radiographie X que nous avons utilisés. Une partie entière leur est dédiée non pas parce qu’ils ont un principe différent, mais parce qu’un travail original de développement a été effectué.

3.3.2.1 Diagnostic passif - la mesure d’un rayonnement

Les diagnostics se contentant de collecter les informations émises par un système étudié peuvent être qualifiés de passifs. Ce sont des diagnostics non intrusifs par excellence car ils ne récupèrent qu’une information n’ayant pas d’effet sur l’évolution du dit système. Un exemple courant d’un tel diagnostic serait un appareil photo ou un télescope. Tous deux récupèrent la lumière soit diffusée soit émise par l’objet d’intérêt. Quelle soit ou non captée par le diagnostic cette lumière n’a pas influencé l’évolution de l’objet. Il est évident que ces diagnostics trouvent leur limite dans le contenu émis (s’il n’y a pas d’émission de lumière, il n’y a pas d’information).

De manière générale les diagnostics utilisés lors de cette thèse et rentrant dans cette catégorie sont composés d’un système optique et d’un détecteur. Le système optique est là pour rediriger la lumière vers le détecteur. Le détecteur quant à lui est l’appareil de mesure. Idéalement, l’image conjuguée de la source de lumière (objet) par le système optique se trouve sur le plan du détecteur.

Deux des diagnostics, que nous avons utilisés, rentrent dans cette catégorie. Il y a un diagnostic de pyrométrie en optique visible et un diagnostic de spectroscopie dans le domaine des rayons X.

Le diagnostic de pyrométrie consiste en la captation de l’émission propre du plasma supposé purement ther-mique pour les longueurs d’onde observées. Le système optique dans ce cas consiste en un ensemble de lentilles, de miroirs et parfois de filtres optiques. Théoriquement il est possible de remonter à la température du plasma à par-tir de la mesure de l’intensité absolue de ces émissions. Cela sous-entend néanmoins une bonne connaissance de la transmission du système optique, celle de la réponse de la caméra, ainsi que des hypothèses sur la nature de la lumière émise. Il faut en effet supposer que le plasma est un corps noir ou gris. En pratique un certain nombre d’in-formations complémentaires est nécessaire : absorption du plasma (corps gris), morphologie du plasma (l’émission provient-elle du pousseur, du choc, d’un précurseur radiatif .. ? ). N’ayant pas réalisé les calibrations nécessaires, nous nous contenterons de dire que les zones de forte émissivité correspondent à un plasma plus chaud (et ou dense) en comparaison au reste du plasma. Les diagnostics utilisant ce principe sont qualifié depyromètre optique, ou optical pyrometer (OP).

Le diagnostic de spectroscopie, dans notre cas, vise à la mesure du spectre d’émission de notre source de rayons X. Cette information n’est que secondaire dans nos expériences. Elle nous aide à mieux comprendre les images d’autres diagnostics (radiographie X) lorsque celles-ci présentent des défauts. Le système optique consiste en un cristal imageur en mica. C’est un cristal sphérique fonctionnant en réflexion. Le détecteur est un film

pho-le traversant (et à fortiori pho-le faisceau sonde).

Parmi nos diagnostics utilisant un faisceau sonde certains n’utilisent que les propriétés d’absorption du plasma. Dans le cas d’un faisceau sonde visible, on parle alors d’ombroscopie ; dans le cas d’un faisceau X, il est question de radiographie. L’ombroscopie tient son nom de l’ombre totale, absence de lumière, se formant notamment derrière un plasma dont la densité dépasse la densité critique liée à la longueur d’onde. Nous pouvons par ailleurs remarquer que lors de ces approches, nous ne tenons pas compte des phénomènes de réfraction dus à la propagation du faisceau dans un milieu d’indice variable.

D’autres diagnostics font appel à la différence de chemin optique due à l’indice optique du plasma (en compa-raison par exemple à celle du vide). Ce sont des diagnostics d’interférométrie. Ils suivent des schémas classiques d’interférométrie (Max-Zehnder, ou Nomarski). Ce type de diagnostic permet de déterminer des différence de che-min optique et donc d’indice. Si l’on suppose les matériaux connus, nous pouvons reconstituer des cartes de densité du plasma. Par contre nous n’avons pas réalisé d’interféromètre à rayons X, notamment à cause de la très faible longueur de cohérence des rayons X mais aussi du manque d’optique permettant de travailler avec ce rayonnement. Nous noterons aussi l’utilisation de diagnostic de strioscopie. Ces diagnostics sont un détournement des diag-nostics d’ombroscopie. Il utilise les propriétés de l’optique de Fourier pour retirer les composantes de faibles fré-quences spatiales de l’image finale. Pour cela un cache est mis sur l’axe optique au plan de Fourier d’une lentille2.

3.3.2.3 Les détecteurs

Les détecteurs sont la dernière étape des diagnostics. Ils permettent l’acquisition des données, des images dans notre cas. La nature des détecteurs dépend avant tout de la plage de longueur d’onde d’intérêt. Dans le visible, nous faisons essentiellement appel à des caméras CCD couplées à des systèmes d’opto-électronique. Pour un rayonnement X, nous utilisons desIPou des cristaux de fluorure de lithium (LiF). Nous aurions pu aussi employer des CCD X, mais la présence de forte impulsion électromagnétique, du fait de l’utilisation de faisceau laser picoseconde, aurait pu les endommager. Les IP et les cristaux de LiF sont des matériaux photosensibles au rayonnement X. Lors du passage d’un tel rayonnement, les sels les constituant sont ionisés (si l’énergie est suffisante) et piégés dans des sites métastables. Ces sites sont fluorescents (sous certaines longueurs d’onde). Il faut donc scanner ces détecteurs pour obtenir l’image finale.

Les caméras CCD, que nous avons utilisées, étaient couplées à des systèmes opto-électroniques afin d’amélio-rer leur résolution temporelle (ceux-ci précédaient le capteur CCD). Ces systèmes convertissent le signal lumineux en électrons à l’aide d’une photo-cathode, agissent temporellement sur ces électrons, avant de les reconvertir en photons à l’aide d’un écran phosphorescent. Deux systèmes de traitement temporel furent utilisés : des caméras à balayage de fente (ou streak), et des obturateurs ultra-rapides (ouGOI). Les GOI emploient des galettes de mi-crocanaux comme obturateur à électrons. Leur temps de pose peut être réduit à 120 ps. Les streaks utilisent des champs électriques variables dans le temps. Cela permet de dévier les électrons différemment au cours du temps afin de créer un axe temporel sur l’image résultante. Du fait de ce balayage temporel les images de streak sont unidimensionnelles : l’un des axes de l’image correspond à l’espace, l’autre au temps. On notera que l’appellation SOP correspond à l’utilisation d’une caméra à balayage de fente pour un diagnostic de pyrométrie.

2. Le signal se trouvant au plan focal d’une lentille correspond à la transformée de Fourier du signal à l’entrée de cette lentille. De ce fait, un cache positionné dans ce plan permet de soustraire une partie du spectre. En strioscopie, le cache est positionné sur l’axe optique pour retirer les composantes de faible fréquence spatiale (le continu) et donc mettre en valeur les modulations du signal de fréquence plus élevée (gradient d’intensité lumineuse ou d’indice optique).

3.3. Les diagnostics nécessaires à l’observation